«Умный дом» на Arduino для бытовки

в 4:22, , рубрики: arduino, arduino mega, diy или сделай сам, датчики температуры, законченное изделие, счётчик электроэнергии Нева, удаленное управление, умный дом, Электроника для начинающих

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 1

Ничего необычного, просто очередной контроллер на Arduino. С датчиками, релюшками и веб-страничкой. Но и со своими особенностями и вполне конкретным практическим применением, хоть и довольно банальным — удалённое включение электроотопления на даче.

Ключевые особенности:

  • Датчик параметров электросети — счётчик электроэнергии «Нева» по RS-485;
  • Удалённая модификация web-страницы управления, лежащей на SD-карте;
  • Надёжное включение группы датчиков температуры Dallas на длинных линиях;
  • Графики изменения параметров без привлечения облачных сервисов;
  • Отказоустойчивые решения (внешний вотчдог, ИБП, авторестарт роутера);
  • Защита изернет-шилда от зависаний при помехах от силовых реле;
  • Законченная конструкция в корпусе на DIN-рейку.


Делал я эту систему не спеша, в качестве развлечения, время от времени забрасывая проект на месяцы… От идеи до реализации прошло каких-то полтора года :)

Так как до этого вообще не имел дела с микроконтроллерами, то начал со стартового наборчика с алиэкспресса, поигрался со светодиодиками, кнопочками и датчиками, понял примерно что к чему, и начал сооружать контроллер для удалённого управления и мониторинга. Ну не прям «умный дом» конечно, но что-то около того.

Практическая цель была поставлена сначала одна — удалённо включать отопление на даче. Дом я пока построить не успел (руки не дошли, ага), но зато у меня есть замечательная комфортабельная дачная бытовка в полном фарше, отапливаемая электроконвекторами. Заранее прогреть к вечеру пятницы остывшую за неделю бытовку — весьма заманчивая возможность в холодное время года.

Однако задача по удалённому управлению нагрузкой оказалась совсем тривиальной. Ардуино плюс изернет-шилд, готовый скетч из интернета, и релюшки уже щёлкают от галочек на веб-страничке. Практическая цель была достигнута как-то очень быстро и просто. И это было скучно. Хотелось чего-то более интересного.

Поставил себе вторую практическую цель — мониторить текущее потребление в дачной электросети. Приобрёл простенькие датчики тока для тестов, поигрался. Работало всё хорошо, но для боевой работы этот вариант не годился. Датчиков мощнее, чем на 5А, мне найти не удалось, а мне надо было на 25А минимум.

И появилась у меня мысль использовать в качестве датчика электросети счётчик электроэнергии. И это была прекрасная мысль! И создал я устройство такое, и увидел, что это хорошо! Не без трудностей, но задачу эту я выполнил в итоге превосходно, о чём с чувством глубокого удовлетворения и поведаю ниже :).

Функционал

Первая (и пока последняя) боевая версия контроллера «умной бытовки» обладает таким функционалом:

  • Удалённое ручное управление включением силовых реле через браузер и контроль их текущего состояния;
  • Удалённый мониторинг параметров трёхфазной электросети (напряжение, ток, частота и ещё много всякой ненужной фигни, которую я потом отключил);
  • Удалённый мониторинг показаний двухтарифного счётчика электроэнергии;
  • Удалённый мониторинг группы датчиков температуры;
  • Логирование данных и регистрация событий на карту памяти;
  • Отображение в браузере данных со всех датчиков за выбранные сутки в виде графиков.

Идеология

Принцип построения всей системы — без использования сторонних облачных сервисов и серверов сбора и отображения данных. Это не хорошо и не плохо. На начальном этапе «умнодомостроения» такая схема и достаточна, и проста. Хотя и накладывает определённые ограничения использования.

Ардуино с изернет-шилдом является единственным веб-сервером в системе. Веб-страница с интерфейсом управления хранится на карте памяти изернет-шилда и передаётся в браузер при обращении его к заданному IP-адресу. Дальнейшее взаимодействие интерфейса пользователя с Ардуино осуществляется посредством java-скриптов, тела которых не встроены в веб-страницу, а хранятся на моём домашнем файловом хранилище с доступом в интернет. Такой подход и уменьшает вес веб-страницы, что ускоряет её чтение с SD-карты, и позволяет более быстро и просто модифицировать код скриптов.

Чтение лога данных для отображения графиков производится с карты памяти по запросу (нажатие кнопки в браузере). Данные отображаются только в текущей сессии страницы браузера, никуда не сохраняются, и при перезагрузке страницы их необходимо вычитывать вновь. Это минус идеологии, так как чтение с карты памяти довольно медленное, и получение суточного объёма данных может занимать минуту-две (была мысль переработать формат хранения данных чтобы уменьшить их объём и ускорить чтение).

Текущие значения датчиков отображаются на странице и обновляются в реальном времени с частотой цикла loop, которая у меня равна примерно 1 Гц.

Никакой «умности» в алгоритме сейчас не заложено. Буду ли вразумлять алгоритм в будущем — не знаю, меня пока нынешний вариант полностью устраивает.

Топология сети 

На даче мобильный интернет Yota (usb-модем + wifi-роутер). Фиксированного IP-адреса нет, и возможности его получить тоже нет, даже за деньги. Да и даже динамического белого IP-адреса нет, поэтому DynDNS не применить. Только серый IP-адрес внутренней сети Yota. IPv6 Yota не поддерживает (по крайней мере на 2017 год это так). Поэтому способ достучаться до дачного роутера извне я нашёл только один — VPN.

Дома (в городе) проводной интернет с белым фиксированным IP-адресом. Роутер, за ним сетевое хранилище. На этом домашнем роутере поднят VPN-сервер. Дачный же роутер настроен на поднятие VPN-туннеля по PPTP к домашнему роутеру.

Контроллер на Ардуино подключен к LAN-порту дачного роутера и сидит за NAT, к нему проброшен 80-ый порт. Таким образом, получить доступ к Ардуино я могу только из своей VPN. Соответственно, домашняя локальная сеть и VPN у меня это два сегмента одной подсети, доступ там прямой. На своём рабочем офисном компе и на смартфоне настроил VPN-подключение и также получил доступ к Ардуино. Не очень удобно пользоваться, но работает. Да и безопасность относительная обеспечена — без авторизации в моей VPN никто чужой попасть на страницу управления контроллером не может.

Узкое место — VPN-туннель до дачного роутера. Периодически падает. Причем рвётся именно связь по PPTP, доступ в интернет при этом остаётся. И самое противное, что при обрыве PPTP-соединения оно больше само не поднимается. Не спасает даже перезагрузка роутера. Только полный перезапуск его по питанию вместе с USB-модемом, и то не сразу. Нужно выключить, подождать минут 10, включить снова. Повезёт — хорошо, нет — следующая итерация. Причина, если верить техподдержке Zyxel, в блокировке пакетов PPTP сотовым оператором, так как одна сторона правильно шлёт, вторая правильно слушает, но данные не доходят (на обоих концах VPN-туннеля у меня роутеры Zyxel). Виновата вроде бы Yota, но добиться от них чего-то вразумительного невозможно. А может и не Yota.

WatchDog 

Для обеспечения относительно бесперебойной работы VPN использую костыль программный вотчдог — дачный роутер питается через силовое реле, управляемое Ардуиной, и как только VPN-сервер перестаёт пинговаться (пингует тоже Ардуина), то через 10 мин питание с роутера снимается на 10 мин, затем роутер вновь включается и ожидается установка PPTP-соединения в течение 5-ти минут. Если связи нет — следующая итерация. Иногда это соединение устойчиво работает неделями и даже месяцами, а иногда начинает рваться чуть ли ни ежедневно. Иного пути решения проблемы пока не видится совсем. Как я уже говорил, IPv6 Yota не поддерживает, белый IP физикам не даёт и не продаёт, другого провайдера с нормальными тарифами и безусловно безлимитным трификом нет. Впрочем, это решение хоть и костыльное, но задачу свою выполняет очень хорошо. Теперь у меня связь есть всегда, за очень редкими исключениями, когда я попадаю на момент перезагрузки.

Кроме программного я также реализовал и аппаратный вотчдог. На всякий случай. Контроллер должен работать неделями и даже иногда месяцами в отсутствии меня, и не зависать. Как себя поведёт всё это хозяйство в большие минуса мне было неизвестно, поэтому подстраховался. Встроенный в Атмегу вотчдог меня не устроил тем, что совсем не работал на Ардуино Мега «из коробки», и чтобы заставить его работать нужно было основательно потрахаться. Эта проблема хорошо описана тут. Кроме того, максимальный интервал у него 8 секунд, что мне показалось недостаточным. Поэтому я применил специализированную микросхему сторожевого таймера TPL5000DGST, интервал которого задаётся комбинацией из трёх пинов и может достигать 64 секунд, что меня вполне устроило. Для этой микросхемы приобрел маленькую макетку, спаял и закрепил на разъёме с IO-портами Ардуины (фотка будет ниже в разделе про сборку). Тесты показали надёжную работу этого вотчдога, и мне было интересно, как часто он будет срабатывать в реальности. Для этого я добавил в код программы переменную, где хранится время и дата запуска программы, и эта информация выводится на веб-страничку управления. Практика показала, что в отличие от VPN, контроллер работает бесперебойно долго, и сторожевой таймер пока так ни разу и не пригодился (пока писал статью, вотчдог таки сработал впервые за всё время, всё же не зря сделал). Время непрерывной работы достигало 3-х с лишним месяцев и моглы бы быть и больше, если бы мне не нужно было время от времени что-то подкорячить в коде и перепрошить контроллер.

Датчик параметров электросети — электросчётчик «Нева»
«Умный дом» на Arduino для бытовки - 2

Как я уже упоминал выше, в качестве датчика параметров электросети, на мой взгляд, нельзя найти ничего лучше и точнее, чем современный цифровой счётчик электроэнергии с интерфейсом внешнего доступа к данным. Я выбрал счётчик Нева питерской компании Тайпит с интерфейсом RS-485.

Подчеркну, что электросчётчик с постоянно подключенными к нему проводами 485-го интерфейса официально использовать в качестве прибора учёта не разрешено. Поэтому в дачной электросети я ставлю два счётчика последовательно. Первый — официальный прибор учёта электроэнергии, опломбированный и зарегистрированный, расположен в уличном вводном щитке. Второй — мой датчик параметров электросети, неопломбированный и неучтённый, на который энергосбытовой компании уже наплевать, так как её не волнует всё то, что установлено после прибора учёта. Этот электросчётчик расположен уже в щитке внутри бытовки, и в этом же щитке находится и контроллер на Ардуино, но, об этом чуть позже.

На даче у меня трёхфазная электросеть. В городе я имею возможность отлаживаться только на однофазной. Поэтому приобрёл два счётчика, трёхфазный Нева МТ-324 и однофазный Нева МТ-124. Первоначальную отладку контроллера делал на столе на трёхфазном счётчике с подключенной одной фазой, затем установил его штатно в дачный щиток в боевой режим работы. Отладку последующих модификаций софта делал уже на более дешёвом однофазном счётчике на столе:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 3

Для подключения счётчика к Ардуино требуется преобразователь уровней RS-485 в TTL:
«Умный дом» на Arduino для бытовки - 4

Также для работы со счётчиком нужен свободный последовательный порт на Ардуино. К сожалению, Arduino Uno имеет только один последовательный порт, заняв который под счётчик пришлось бы лишиться отладочного вывода текстовой информации (монитора порта), а без этого писать скетч не реально. Поэтому использую Arduino Mega, у которой сериальных портов несколько. Можно было бы реализовать второй последовательный порт софтово через цифровые порты Ардуино, но подходящей библиотеки с возможностью изменения других настроек порта, кроме скорости, я не нашёл. А настройки порта счётчика отличны от дефолтных: битрейт 9600, 7 бит данных, 1 стоповый бит, контроль чётности — event. Стандартный объект Serial в Ардуино, к счастью, позволяет выполнить эти настройки.

Протокол обмена со счётчиком получить было относительно несложно — производитель счётчика в открытом доступе имеет программу чтения параметров под Windows, в которой тоже есть монитор порта. Для подключения счётчика к компьютеру использовал преобразователь интерфейсов MOXA 232/432/485USB. Некоторое время на визуальный анализ посылок — и основные команды я вычленил.

Однако мне этого показалось недостаточно, и я обратился по e-mail к производителю. После месячной переписки с компанией Тайпит мне наконец удалось заполучить полный перечень команд с интерпретацией:

Кодировка параметров MT3ХX E4S
Кодировка параметров НЕВА MT124 AS OP(E4P)

Дальше дело техники — написать под Ардуино цикл опроса параметров и вывести их для начала в монитор порта. Время одного цикла получилось около секунды. Однако в конечном варианте проекта с логированием данных на флэшку и опросом температурных датчиков это время выросло до 4-x секунд. Это меня уже совершенно не устраивало и пришлось погрузиться в оптимизацию. В итоге я вновь добился секундного интервала без потери функциональности. К слову, скетч я переписывал с нуля два или три раза, пока не нашёл правильную архитектуру и экономные алгоритмы.

Программная реализация обмена со счётчиком

Код выдран из контекста моего большого рабочего скетча. Скомпилирован, но в таком виде я его никогда не запускал. Привожу только для примера, а не как готовую рабочую программу. Хотя в теории всё должно работать именно в таком виде.

Код написан для двух типов счётчиков одновременно, однофазного МТ-124 и трёхфазного МТ-324. Выбор типа счётчика происходит в программе автоматически по ответному слову инициализирующей команды.

Код привожу как есть, без прекрас и дополнительных комментариев кроме тех, что писал сам для себя. И да, я не программист, и даже не учусь на него, поэтому пинать меня за качество кода не следует, но поучить как надо кодить можно: EnergyMeterNeva.ino

Огромный дополнительный плюс счётчика электроэнергии — это надёжные и точные часы реального времени. Мне не пришлось обеспечивать систему дополнительным модулем, который ещё нужно найти не просто абы какой, а качественный. Текущее время с точностью до секунды я получаю со счётчика среди прочих данных. Да, относительно атомного времени время счётчика немного сдвинуто (несколько секунд), уж не знаю с чем это связано, с некачественной заводской установкой или ещё чем, но точность хода при этом отличная, просто с небольшим смещением.

В редкие моменты, когда электропитание на даче отключается и счётчик становится недоступен, текущее время я получаю от внутреннего таймера Ардуины. Когда электросчётчик работает и его данные доступны, внутренний таймер Ардуины я перепрописываю значением со счётчика на каждом витке loop. Когда счётчик отваливается — текущее время продолжает тикать на таймере Ардуины.

Помимо чтения параметров счётчик, естественно, можно и программировать. То есть интерфейс работает и на чтение, и на запись. Однако я с такими сложностями добивался протокола команд чтения, что о просьбе протокола записи я даже не заикнулся производителю. Во-первых, мне это было ни к чему, разве что только время чуть сдвинуть. Во-вторых, подозреваю, что эти данные уже не являются открытыми, так как могут быть использованы в мошеннических целях.

Температурные датчики

Тест температурных датчиков с помощью скетча-примера я уже проводил отдельно раньше. Теперь оставалось только встроить их опрос в основной проект. Это не составило никакого труда. Все девять имеющихся у меня датчиков работали без проблем при параллельном включении по 1-Ware. Разброс показаний между ними составил около 0.5 градуса, что показывает бессмысленность использования их на максимальной точности в 0.0625 градуса. Датчики для теста собрал в пачку и завернул в несколько слоёв пупырчатого полиэтилена. Для большей точности пачку расположил вертикально и ждал сутки для полного выравнивания температуры. Показания всех датчиков так и не оказались одинаковыми.

Однако загрублять точность конвертации температуры самих датчиков я тоже не стал. Проще округлить показания программно, а выгоды по времени опроса я бы не получил, так как придумал такой алгоритм, при котором время ожидания конвертации не является пустым бесполезным delay(750). Обычная логика работы с датчиками такая — сначала подача команды на запуск конвертации температуры, потом ожидание окончания конвертации (те самые 750 мс минимум), и уже затем вычитывание данных. Я сделал всё наоборот, что позволило мне исключить пустой интервал ожидания — сначала вычитываю данные из датчиков, а потом сразу запускаю конвертацию. И пока весь остальной код в цикле LOOP отработает, данные как раз успевают подготовиться для вычитывания на следующем витке. По времени данные с датчиков я получаю в этом случае чуть позже — цикл LOOP занимает примерно 1-1.5 секунды, но это совершенно не критично.

Иногда со всех датчиков я получал данные «85» или «0». Что это за косяк, я так и не понял, поэтому сделал в коде проверку и исключил попадание таких данных в результат. Ещё обнаружился косяк у одного из датчиков — он не держал настройки при отключении питания. То ли флэшка его внутренняя дохлая, то ли ещё что. Поэтому в сетапе прописал настройку датчиков, и теперь по включению питания (если оно таки пропадает) все датчики гаранитрованно настроены.

Адреса конкретных датчиков я получил с помощью скетча-примера, где-то нарытого и немного мной модифицированного: DS18x20_Temperature.ino

После чего адреса я забил константами в массив и в основной программе обращался к датчикам уже сразу по их адресам: TempSensors_DS18B20.ino

Для правильной работы датчиков на шине 1-Wire требуется установить подтяжечный резистор 4.7 кОм между линией данных и питанием. Мне было удобно припаять между пинами клеммной колодки SMD-резистор, но нашёл я у себя в подходящем корпусе только 5.1 кОм, его и поставил (он виден на фотке в разделе про сборку на нижней стороне платы). Работает всё хорошо.

Датчики температуры у меня подключены электрически параллельно на одной длинной линии (+5, gnd и data), все 9 штук, но хитро. Физически кабели витой пары подключены звездой для удобства разводки датчиков по объекту. В каждом плече кабеля я использую две пары. Одна пара — это питание датчика. Вторая пара — это линия данных, которая идёт по одному проводу к датчику и возвращается от него же обратно по второму проводу. Таким образом получается возможным развести кабели звездой от щитка, но электрически это звезда только по питанию, а по данным это одна линия. Такой вариант подключения оказался более надёжен в работе на длинных линиях, при простом параллельном подключении было много сбоев при чтении данных. Вот эскиз такой схемы:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 5

Полуметровые хвосты трёхпроводных кабелей самих датчиков я не укорачивал, подключил их как были, оказалось не критично.

Всего по бытовке разведено три кабеля, два — для внешних датчиков, на каждом по одному, и один для всех оставшихся семи внутренних. Эти семь внутренних датчиков подключены по той же схеме, но в пределах одного длинного кабеля и с короткими ответвлениями от него (см. нижнюю Т-образную конфигурацию на эскизе). Где-то хватило штатного полуметрового хвоста датчика для ответвления, где-то ответвлял с помощью такой же витой пары.

Двухпроводную схему включения датчиков, с т.н. паразитным питанием (когда датчики получают питание по линии данных) я использовать не стал потому что… а зачем? Кабели я в любом случае брал бы четырёхпарные, просто потому что они у меня были. Проблем с прокладкой кабеля по бытовке никаких. Да и схема с паразитным питанием критична к величине потребляемого тока в некоторых режимах работы, могли возникнуть ненужные проблемы.

Общая длина витой пары по бытовке составила примерно 25 метров. Куски для внешних датчиков — 5 и 10 метров, и десятиметровый внутренний кусок с ответвлениями на семь датчиков. Всё работает почти идеально. Лишь изредка проскакивают прочерки вместо значений температуры. Это значит, что данные с конкретного датчика были прочитаны некорректно. Но случается это настолько редко (замечаю раз в месяц может), что не доставляет никаких проблем.

Удалённый доступ

Для удалённого доступа к Ардуино был куплен Ethernet shield. При наличии встроенной библиотеки работа с ним, как и со всем остальным в Ардуино, оказалась довольно проста.

Функционально схема работы у меня такая. На Ардуино поднят веб-сервер, который при обращении к нему клиента (браузера) генерирует веб-страничку с различной информацией. Автообновление данных на страничке реализуется посредством яваскрипта, опрашивающего по таймеру сервер.

Также страничка имеет набор контролов для управления исполнительными механизмами, подключенными к Ардуино — силовыми реле, которые коммутируют нагрузку — электрообогреватели и освещение.

С дизайном веб-странички я не парился, тем более что был необходим минимальный объём текстовых данных для её более быстрой загрузки, поэтому самый примитивный html и всё:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 6

В html-код я вместо данных встроил теги, которые на лету подменяются реальными данными при генерации странички сервером. При автообновлении данных по запросу яваскрипта они передаются в браузер уже непосредственно из микроконтроллера в формате JSON.

Код страничики лежит в файле на карте памяти и загружается с неё при обращении к серверу. Для более быстрой и удобной модификации кода странички я встроил механизм её обновления в неё саму. Внизу, под блоком основных контролов есть текстовое поле и кнопка Отправить. В текстовое поле копирую новый html-код, жму кнопку, после чего java-скрипт производит отправку данных на веб-сервер контроллера, который сохраняет его сначала в буферный файл. Если передача произошла успешно, то основной файл подменяется буферным, страничка автоматически обновляется. Всё. Изменения приняты.

Привожу фрагменты кода моей реализации этого механизма.
В html-страничке встраиваем форму:

<script type="text/javascript" src="http://domain/send_HTM.js"></script>

<form>
 <br><br>
 CONTROL.HTM:<br>
 <textarea cols="100" rows="20" wrap="off" id="htm"></textarea><br>
 <input type="button" value="Отправить" onclick="send_HTM();"><br>
 <div id="progress" style="display:none">
     <div id="label">Идёт отправка страницы:</div>
  <div style="width:800px;border:1px solid #000">
     <div id="bar" style="background:#00f;height:10px;width:0px"></div>
    </div>
</div>
</form>

По кнопке «Отправить» запускается следующий ява-скрипт: send_HTM.js

В скетче в функции обработки запросов веб-сервера по префиксам в запросе 'CONTROL.HTM' (старт отправки файла), 'htmlineN' (отправка строки №) и 'END_CONTROL.HTM' (конец отправки файла) определяем дальнейшие действия:

File acceptHtmFile;
................
if (fl_accept_htm) // префикс 'CONTROL.HTM'
{ 
 SD.remove(CTRL_HTM);
 acceptHtmFile = SD.open(CTRL_HTM, FILE_WRITE); // открываем файл на запись
 if (!acceptHtmFile)         // если файл открыть не удалось - ничего не пишем
 {
  #ifdef DEBUG_SD
  Serial.println("SD-card not found");
  #endif
  client.print("FAIL");
  client.stop();
 } 
 else client.print("OK_OPEN_FILE");

 acceptHtmMode = true;
 break;
}
if (fl_htmline) // префикс 'htmlineN'
{
 int b = acceptHtmFile.println(tag);
 if (b == 0)
 {
  client.print("FAIL");
  acceptHtmMode = false;
  cntHtmModeIteration = 0;
 }
 else
 {
  client.print("OK");
 }
 cntHtmModeIteration = 0;
 break;
}
if (fl_endhtm) // префикс 'END_CONTROL.HTM'
{
 SD.remove(CONTROL_HTM);
 acceptHtmFile.close();
 
 File htmlFile = SD.open(CONTROL_HTM, FILE_WRITE); // открываем на запись
 acceptHtmFile = SD.open(CTRL_HTM); // открываем на чтение
 for (int i = 0; i < acceptHtmFile.size(); i++)
 {
  digitalWrite(PIN_WATCHDOG_DONE, 1);
  htmlFile.write(acceptHtmFile.read());
  digitalWrite(PIN_WATCHDOG_DONE, 0);
 }
 acceptHtmFile.close();
 htmlFile.close();
 
 client.print("OK_CLOSE_FILE");
 acceptHtmMode = false;
 cntHtmModeIteration = 0;
 break;
}

Дефайны CONTROL_HTM и CTRL_HTM здесь это имена html-файлов. Первый — основной файл, второй — буферный. В массиве чаров tag лежит текст принятой строки, выделенный из запроса. Логика такова: при приёме данных они пишутся в буферный файл, по окончании приёма буферный файл переписывается в основной. Как просто переименовать файлы я так и не смог понять, в стандартной библиотеке SD такой функции нет, поэтому тупое посимвольное копирование, отнимающее кучу времени.

Было бы удобным код веб-странички управления хранить не на карте памяти контроллера, а на клиентской машине, или загружать с какого-нибудь внешнего ресурса. Но запрет на кроссдоменные запросы не позволяет этого сделать. Яваскрипты могут отправлять свои запросы только тому северу, с которого были загружены сами. Тела яваскриптов при этом могут подгружаться откуда угодно, важно лишь только откуда была загружена страница с их вызовом.

Логирование данных

Ethernet shield имеет на борту слот карты памяти micro-SD. Именно из-за его наличия я и решил писать данные в лог-файлы. Для работы с картой памяти также имеется встроенная библиотека, и управлять записью-чтением файлов с ней вообще элементарно.

Для экономии объёма данных алгоритм логирования я построил так, что запись происходит только тогда, когда данные изменяются более чем на заданный порог. Для температуры это 0.1°, для напряжения это 0.2В. В один файл пишутся данные за одни сутки. В ноль часов создаётся новый файл. Формат хранения я выбрал обычный текстовый, с разделителями, чтобы можно было быстро контролировать содержимое файлов при отладке, и была бы простая возможность загрузки в Excel.

Конструктивные ограничения не позволяют удобно вставлять-вынимать карту памяти, поэтому я использовал карту большого объема. По моим расчётам, она будет заполняться в течение нескольких лет, после чего нужно будет подразобрать корпус, вынуть карту памяти и очистить её.

Приводить код логирования смысла не вижу, там всё совершенно тривиально — банальная запись текста в файл. Да и размазан этот код по всему скетчу (логируются не только параметры датчиков, но ещё и разнообразные разовые события), вычленить затруднительно.

Графики

В качестве движка для построения графиков я использую очень гибко настраиваемую javascript-библиотеку визуализации данных amchart. Библиотека бесплатная и доступна для скачивания и автономного использования. Эту библиотеку я также расположил на своём сетевом хранилище с постоянным доступом в интернет. Подключить и использовать её с дефолтными настройками не сложно, однако чтобы получить в итоге тот вид, который мне был нужен, пришлось немало повозиться. Помогло огромное количество примеров на сайте и наличие подробной документации.

Для примера приведу свой яваскрипт отрисовки графиков. Сам по себе он бесполезен, так как работает только в совокупности и с веб-сервером, и с html-страницей, и, возможно, завязан на другие скрипты (дело было давно, всех деталей уже не помню). Но настройки внешнего вида моих графиков содержаться именно в нём и почерпнуть их оттуда можно: get_log.js

Большим преимуществом библиотеки amchart является то, что она умеет отрисовывать правильные графики по «рваным» данным. Как я уже упоминал выше, в лог я сохраняю данные только при их изменении. То есть это происходит асинхронно и хаотично. Новых данных может не быть несколько минут, а потом за несколько секунд они поменяются несколько раз. Соответственно записи в логе идут с произвольными интервалами времени. Amchart при отрисовке учитывает это самостоятельно, у меня нет необходимости интерполировать данные перед отрисовкой. Я просто отправляю массив данных как есть, и вижу красивый равномерный во времени график.

Недостаток этой библиотеки я обнаружил только один — она не умеет (ну или я так и не понял как) по-человечески обновлять графики в реальном времени. Можно добавить новые данные к уже имеющимся, но перерисовка производится каждый раз полностью всего массива данных, и это сильно подтормаживает работу браузера. Впрочем, сама идеология чтения из Ардуины данных для отрисовки по запросу из браузера ущербна своей неоптимальностью, поэтому бороться за быстрое обновление в реальном времени смысла не было никакого.

Правильным решением было бы организовать отдельный сервер хранения и визуализации данных, куда с Ардуины в реальном времени данные капали бы по чуть-чуть и складировались в БД, и откуда бы они могли быстро быть отданы пользователю в браузер для визуализации.

Сейчас графики выглядят так (на примере дня, когда в бытовке никого нет и, соответственно, нет никакого энергопотребления). Когда возникают данные тока, масштаб автоматически устанавливается так, чтобы всё красиво влезало, и на вертикальной оси возникают и значения уровней тока:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 7

Графики отображаются на той же самой страничке, где происходит управление, прямо ниже основного блока контролов.

Полный комплект исходников проекта не привожу намеренно по нескольким причинам:

  1. Его нельзя запустить как есть в любой другой сети, кроме моей, так как я не пытался сделать проект портабельным, и он жёстко завязан на мои адреса и мою топологию сети.
  2. Я уверен, что общая идеология проекта страдает массой разнообразных проблем, так как это моя первая попытка в той области, в которой я разбираюсь плохо. Поэтому не предлагаю никому весь проект к повторению именно в таком виде. Я поделился лишь теми моментами, в которых более менее уверен.
  3. Проект делался давно и долго, и я уже никогда не вспомню всех деталей и не смогу объяснить ряд решений. Объём скетча очень большой (по моим меркам, около 2 тыс строк), разнообразных обслуживающих ява-скриптов более десятка, принципиальную схему железа я не делал. То есть не смогу помочь консультативно по большинству вопросов.

Сборка

С самого начала я поставил себе цель — сделать законченное устройство, а не просто макет с ворохом проводочков на столе:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 8

И сразу же решил, что устройство это я хочу разместить внутри электрощитка. Там и питание, и счётчик, и вообще, это удобно.

Для этого требовался динреечный корпус. Вначале думал разработать его и напечатать на 3D-принтере. Но, своего 3D-принтера у меня нет, а то, что печатают мои коллеги по работе на своих самосборных принтерах, меня совершенно не устраивало по качеству внешнего вида. Нашел в продаже готовые корпуса на DIN-рейку (разных размеров), выглядят хорошо, пользоваться удобно (разборные), да ещё и плата-слепыш под них специально имеется готовая.

Купил самый большой корпус, чтобы в него вместилась не только Ардуино с изернет-шилдом, но еще и реле для коммутации нагрузки:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 9

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 10

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 11

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 12

Дальше был длительный и увлекательный процесс монтажа всей требухи в корпус. Под это дело я даже приобрёл себе замечательный паяльничек с функцией сна (имеющиеся у меня паяльники все были ещё советских времен):

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 13

Для монтажа накупил кучу всевозможных стоечек, винтиков, шайбочек и гаечек. Первая прикидочная сборка:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 14

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 15

Для подключения проводов к верхним контактам пришлось использовать загнутые штырьки, иначе не влезало в корпус:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 16

Изолирующие шайбы местами приходилось подрезать:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 17

А местами изгаляться более извратно, поднимать винт на втулке, и вычурно подрезать втулку:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 18

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 19

Для одиночной релюшки не хватило точек опоры, поэтому повисла только на двух точках:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 20

Прикидочная сборка вместе с клеммными колодками:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 21

Потом поделка стала постепенно обрастать проводами. Плата была использована только для разводки питания и для подключений к клеммным колодкам. Для сигнальных связей использовал провод МС-16 (мне он больше нравится), для силовых он не проходил по напряжению (до 100 В), поэтому МГТФ:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 22

На лицевой панели закрепил светодиодики, токоограничивающие резисторы припаял прямо к ножкам светодиодов и закрыл термоусадкой:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 23

В итоге получилась вот такая бородатая начинка:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 24

А вот и платка с микросхемкой сторожевого таймера, приютилась в недрах моего творения, прямо над преобразователем уровней RS-485 — TTL:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 25

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 26

Вся конструкция разборная, всё можно снять, отсоединить и заменить без пайки, кроме платки с вотчдогом, она припаяна к пинам разъема, одетого на ряд IO-портов Ардуины.

В коробочке:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 27

Отверстия под разъёмы Ардуины выпилил в пластиковой стенке корпуса. Сначала сделал отверстия точно по размерам разъёмов, но сборку в корпус нужно заводить по диагнонали (иначе просто никак) и разъёмы не проходили, пришлось расточить немного:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 28

Включение готового изделия на столе, всё заработало сразу:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 29

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 30

На лицевую панель вывел:

  • Четыре красных светодиода — индикация нагрузки;
  • Два зеленых — наличие связи со счётчиком и с VPN-сервером;
  • Два желтых — запасные;
  • Один желтый — индикация перезагрузки роутера;
  • Один красный — питание;
  • И кнопочка сброса.

Для получения 5-ти вольт из 220-ти я использовал динреечный блок питания с подстройкой выходного уровня, питание подано непосредственно на микроконтроллер, минуя входной преобразователь из 7-12 в 5 вольт. Это было удобно по нескольким причинам. Во-первых, мощности встроенного преобразователя в какой-то момент стало не хватать, ток там ограничен. Во-вторых, питать реле всё равно нужно было 5-ю вольтами. В третьих, в щитке удобен динреечный форм-фактор с точки зрения монтажа. Поэтому вот:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 31

Испытания

На столе всё было преверено, всё работало как надо, настала пора инсталлировать контроллер в щиток и проверить его в боевом режиме.

Но сначала я подключил всё «на соплях», буквально затолкав всю требуху в другой щиток, слаботочный, чтобы протестировать работу термодатчиков в реальных условиях на длинных линиях, проложенных в одном кабель-канале с силовыми кабелями ~220В:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 32

Как можно заметить на фотке выше, доселе я пытался управлять перезагрузкой роутера по питанию с помощью «умной» розетки Senseit. Однако сей девайс безумной стоимостью в 5 тыс (на 2016 год) оказался на редкость глючным и капризным. За год использования не раз заставлял меня незапланированно приезжать на дачу в неурочное время, дабы вручную вывести это чудо инженерной и маркетинговой мысли из глубокого дауна в части GSM-связи. С переходом на свой Ардуино-контроллер, который оказался не в пример надёжнее, я с облегчением бросил это «профессиональное» барахло в красивой коробочке в ящик, и забыл про него.

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 33

Тест прошёл успешно, сбоев не было, и можно было приступить к окончательной инсталляции в штатное место:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 34

Да-да, это щиток ABB TwinLine 800x300x225 IP55, стоимостью в 25 тыс. руб. без начинки (и начинка ещё на 15 тыс. примерно). И да, он установлен в бытовке 6х2. У всех свои тараканы. Да, собирал всю электрику сам. И бытовку строил тоже, да. Нет, я не электрик. И не строитель.

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 35

В глубине щитка я расположил небольшой источник бесперебойного питания Powercom WOW 300, вон там горит его зелёный светодиод, а левее и выше — его вилка входного питания:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 36

Его хватает на ~40 минут автономной работы Ардуино-девайса, роутера с USB-модемом и вайфаем, и Full HD IP-камеры наружного наблюдения.

А здесь видны белые вилки питания двух бесперебойных потребителей — блок питания Ардуино и слаботочный щиток, где расположен роутер и блок питания камеры наружного наблюдения. Эта линия идёт с разрывом через контактор, которым управляет Ардуино, как раз для того самого программного вотчдога, перезагружающего роутер по питанию в случае падения VPN (камера перезагружается заодно, хотя ей это и не надо). Сверху к контроллеру подключены линии витых пар от датчиков температуры:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 37

Надо сказать, что маленьким синим китайским релюшечкам я бы никогда не доверил коммутацию мощной нагрузки, несмотря на вроде бы позволяющие это делать параметры этих релюшек. Поэтому сразу же было заложено использование нормальных модульных контакторов Legrand кат.№ 4 125 01 с возможностью ручного управления. То есть релюшки внутри корпуса контроллера управляют контакторами, а контакторы уже управляют нагрузкой. Это надёжно. А вот питание роутера и камеры осуществляется только лишь через эту маленькую синюю китайскую релюшку, ток там небольшой, поэтому можно.

При первом же боевом запуске меня ждало большое разочарование. На столе я испытал всё, кроме нагрузки. Зачем? Контакторы щёлкают, и так понятно, что нагрузку они коммутировать будут. Ан нет, надо было испытать. Мощные электроконвекторы привнесли в систему помеху в момент размыкания контактов, что приводило к гарантированному зависанию изернет-шилда. Причем вывести его из дауна было возможно только снятием питания, простой ресет не помогал. Погуглил — да, есть такая проблема у этой китайщины. И библиотека не обрабатывает эту ситуацию. То есть и железка хреновая, и софт не очень.

Думал уже, что всё пропало. Даже заказал твёрдотельные реле, но они, сволочи, больше по высоте, и в мою конструкцию уже не поместились бы. Но потом подумал, что может быть всё же помеху можно подавить. Опять погуглил, нашёл специальные помехоподавляющие конденсаторы (т.н. конденсаторы типа X). Просто подключил их параллельно управляющей обмотке контакторов, и о чудо! Зависания пропали полностью. За вот уже год эксплуатации ни одного случая не зарегистрировано:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 38

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 39

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 40

А вот таким образом можно заглянуть внутрь коробки:

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 41

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 42

Ну и законченный вид щитка с пластроном (заглушек вот в комплекте не дали):

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 43

Для дебага и перепрошивки кабель USB подключен к контроллеру и хранится внутри щитка за закрытой дверцей (изернет на этой фотке временно не подключен):

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 44

«Умный дом» на Arduino для бытовки - 45

Система работает уже почти год, пережила морозы до 20 градусов без проблем.

В целом я доволен результатом. Однако для более-менее функциональных задач Ардуино явно слабенький. Я уже не раз сталкивался с исчерпыванием памяти и приходилось кроить и оптимизировать. Да и скорость работы, особенно с картой памяти, меня совершенно не устраивает. Поэтому будущие реализации подобных поделок, если таковые потребуются, я бы хотел основывать на чём-то более мощном. Коллеги пиарят мне Raspberry Pi, хороший вариант, думаю.

Кто-то может сказать «Сколько сложностей ради такой примитивной задачи», и, вероятно, будет прав. Для меня вся эта затея — хобби, с небольшим оправданием смысла. Поэтому искал развлечения во всём, где мог :)

Автор: Сергей Кириллов

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля